劉 京,朱岳梅,郭 亮,高 軍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱 150090;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150090;3.同濟(jì)大學(xué)暖通空調(diào)及燃?xì)庋芯克?上海 200092)

城市熱氣候特指由于城市特殊的下墊面構(gòu)成和排熱特點(diǎn)形成的城市大氣溫度時(shí)空變化。近年來我國部分城市,特別是南方地區(qū)和北方大城市氣溫逐年升高。從1999年至今,高于35oC的高溫日數(shù),特別是高于38℃的強(qiáng)高溫日數(shù)逐漸增多[1]。高溫酷暑除了直接影響人體熱舒適性,造成工作效率和生產(chǎn)效率下降,嚴(yán)重時(shí)引發(fā)中暑、腸胃疾病、高血壓和冠心病等疾病外[2],還會導(dǎo)致人工排熱量的大幅度增加,造成能源短缺和環(huán)境惡化。研究表明,由于城市熱島效應(yīng),大城市的年空調(diào)冷負(fù)荷將增加22%[3]。由此可見,深入研究城市熱氣候?qū)μ岣呷藗兊纳钯|(zhì)量和維持城市可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

城市河流是指流經(jīng)城區(qū)的河流或河段,也包括一些雖屬人工開挖但經(jīng)過多年演化已具有自然河流特點(diǎn)的運(yùn)河、渠系。作為城市水資源最重要的組成部分[4],與一般河流相比,城市河流與人類活動的相互作用更加密切。城市河流作為地表水的主要存在方式之一,除了其特有的人文景觀內(nèi)涵外,主要具有城市用水、交通運(yùn)輸、水產(chǎn)養(yǎng)殖、城市防洪排澇等經(jīng)濟(jì)功能以及凈化環(huán)境、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡等生態(tài)環(huán)境功能。城市河流是城市形成和發(fā)展中最關(guān)鍵的資源載體[5]。

作為生態(tài)環(huán)境功能的重要部分,城市河流在解決城市熱氣候方面具有極大的優(yōu)越性:①水體自身的熱容量是土壤或混凝土的2～3倍,蓄熱能力強(qiáng);②水體可通過透射作用吸收太陽輻射熱量,同時(shí)表面蒸發(fā)還可吸收大量汽化潛熱(約2 500 kJ/kg);③河流一般具有較大的徑流量,與小型的人工湖或水體景觀相比,還可以通過流體流動來傳輸熱量,自身溫度容易保持在較低的水平;④河流表面平展,有利于“風(fēng)道”的形成等。例如韓國首爾市清溪川改造工程,將封蓋河流表面的水泥板拆除,重新實(shí)現(xiàn)河流和大氣之間的熱濕交換,在使河流的生態(tài)功能得到恢復(fù)的同時(shí),也改善了周邊的熱氣候。改造后的夏季平均溫度下降0.4℃,平均風(fēng)速提高0.2 m/s[6]。需要指出的是,由于我國一直以來過多地強(qiáng)調(diào)城市河流的經(jīng)濟(jì)功能,將河道人為硬化和渠化,大量采用混凝土或磚石材料加固岸堤和防洪墻將河道和灘地分開,阻隔了河流和城市內(nèi)部的水蒸氣及熱量交換;同時(shí),在城市建設(shè)中,迫于人口壓力及經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要,不得不擠占河道以獲取更多的土地(如上海市近20年的河道面積就減少了25%[7]),使城市水面被人為侵占或縮窄。由于兩側(cè)布置擁擠的建筑群,使城市河流的熱氣候調(diào)節(jié)功能弱化甚至衰退。

1 水面-大氣熱與水分收支關(guān)系

研究河流對周圍氣候的影響,首先必須理解水面-大氣之間的熱與水分收支關(guān)系。根據(jù)大量的實(shí)測數(shù)據(jù),假定:在上游沒有大型水力發(fā)電設(shè)施的情況下,在一定時(shí)間、一定流程范圍內(nèi)河流流量不變,水溫不隨時(shí)間變化[8],則水面-大氣的熱收支可表示為

式中:Rnet為水面處凈輻射量;SR↓和SR↑分別為透過大氣到達(dá)水面和從水面反射到大氣的短波輻射量;LR↓和LR↑分別為從大氣向下和從水面向上的長波輻射量;H和lE分別為水面和大氣之間的顯熱和潛熱通量,其中l(wèi)為水的蒸發(fā)潛熱散熱量,l=25×106J/kg,E為水面蒸發(fā)量,kg/(m2·s);G為水面和水體內(nèi)部的傳熱通量;Ri和Ro分別為流入和流出水體帶入和排走的熱量。上述物理量(除l和E)單位均為W/m2。

SR↓和LR↓可以利用太陽輻射儀直接測量,而SR↑和LR↑可分別采用式(2)、式(3)計(jì)算:

式中:α為水面反射率,α為太陽光線入射角的函數(shù)(當(dāng)入射角較小時(shí)α約為0.06～0.08,當(dāng)入射角較大時(shí)α可近似取值0.15),另外,實(shí)際的河流水面波動也會對 α取值有一定的影響;ε為水面長波放射率,一般為 0.96;σ為Stefan-Boltzman常數(shù),σ=5.67×10-8;Ts為水表面絕對溫度,K。

水面和大氣之間的顯熱通量和水面蒸發(fā)量是影響周圍區(qū)域熱氣候的最重要因素。其中,水面蒸發(fā)的水分不僅增加了大氣濕度,蒸發(fā)時(shí)發(fā)生的汽化潛熱還可吸收水體熱量,維持水面低溫。常用的測量顯熱和潛熱通量以及蒸發(fā)量的方法包括渦旋相關(guān)法、梯度法、熱平衡法和bulk傳輸法等。

a.渦旋相關(guān)法。該方法是氣象學(xué)用于測量和計(jì)算地表湍流通量的重要方法之一,屬于直接測量方法。其原理為:如不計(jì)平流、輻射的因素,只考慮平面熱通量垂直變化,且忽略溫度變化時(shí)的浮力作用以及分子擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的變化特性,并考慮到分子擴(kuò)散作用在湍流中影響很小,可得

式中:ρ為空氣密度,kg/m3;cp為比熱容,J/(kg·℃);θ′為溫度脈動值 ,℃;q′為含濕量脈動值,kg/kg(干空氣);w′為垂直風(fēng)速脈動值,m/s;〈*〉表示時(shí)間平均。

b.梯度法。基于大氣湍動和擴(kuò)散K理論,E可通過測量水面附近兩點(diǎn)處的風(fēng)速、含濕量并利用風(fēng)速對數(shù)法整理可得

式中:κ為Karman常數(shù),一般取0.4;Kw,Km分別為水蒸氣和動量湍動擴(kuò)散系數(shù);q1和q2分別為距水面高度為z1和z2處的含濕量,kg/kg(干空氣);u1和u2分別為距水面高度為z1和z2處的風(fēng)速,m/s。

由于水面顯熱和潛熱通量都可以看作是大氣湍動現(xiàn)象的作用效果,故顯熱通量可利用 Bowen比計(jì)算:

式中:β為Bowen比,反映了顯熱通量和潛熱通量之間的關(guān)系;γ為系數(shù),一般可取0.61;T1和T2分別為距水面高度為z1和z2處的絕對溫度,K;e1和e2分別為距水面高度為z1和z2處的水蒸氣分壓強(qiáng),Pa,由當(dāng)?shù)睾瑵窳亢蜏囟葲Q定。

c.bulk傳輸法。通過測量水面和水面上方某一高度處的氣溫、風(fēng)速和水蒸氣含量來計(jì)算H和E:

式中:u為某一觀測高度處的風(fēng)速,m/s;T為某一觀測高度處的溫度,℃;q為某一觀測高度處的含濕量,kg/kg(干空氣);qs為對應(yīng)于水面溫度的飽和含濕量,kg/kg(干空氣);CH和CE分別為顯熱和蒸發(fā)量的bulk輸送系數(shù),總結(jié)大量的實(shí)測數(shù)據(jù),一般可按式(10)取值[9]:

式中:u10為觀測高度為10m處的風(fēng)速。當(dāng)為其他觀測高度時(shí),需結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)速分布進(jìn)行修正。另外,CH還與自由水面面積及大氣穩(wěn)定度有關(guān)。當(dāng)自由水面面積較大時(shí),上游較為干燥的來流空氣在通過水面時(shí)會被逐步加濕,這樣單位面積平均水分傳輸通量就會下降;當(dāng)大氣不穩(wěn)定時(shí),水面附近熱水分交換加劇,CH和CE值也需要修正[10]。需要指出的是,式(8)和式(9)還有其他不同的表現(xiàn)形式[11],但基本思路都屬于bulk傳輸法。

從目前的應(yīng)用情況看,渦旋相關(guān)法和梯度法對試驗(yàn)器材以及試驗(yàn)地點(diǎn)的要求較高(如需要超聲波風(fēng)速儀等相對靈敏的儀器,試驗(yàn)地點(diǎn)盡量水平開敞等),bulk傳輸法是具有代表性的實(shí)測方法,但CH和CE根據(jù)實(shí)測條件的不同有多種不同的取值,直接關(guān)系到通量實(shí)測值的大小,尚有待于進(jìn)一步的研究[12]。

2 城市河流對城市熱氣候的影響研究

近年來國內(nèi)外關(guān)于城市河流資源的開發(fā)利用與保護(hù)的研究很多,主要集中在河流自身的環(huán)境改善、生態(tài)修復(fù)、洪水治理以及景觀建設(shè)等方面,而對如何改善城市熱氣候的研究較少。實(shí)際上,城市河流對城市熱氣候的影響與河道水體面積、水深、徑流量、河道兩側(cè)岸堤形式、周邊建筑密度和布局、城市大氣本身的特征等因素強(qiáng)相關(guān),是非常復(fù)雜的。迄今為止,相關(guān)研究根據(jù)研究手段可分為實(shí)測研究、模型試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究3種。

2.1 實(shí)測研究

所謂實(shí)測研究,即選擇城市河流水體表面或外圍有代表性的測點(diǎn),直接測量風(fēng)速、溫度、濕度等大氣參數(shù)值,從而分析出河流對城市熱氣候的影響。從研究內(nèi)容看又可細(xì)分為以下3部分:

a.城市河流-大氣熱與水分收支特性。這部分屬于相對基礎(chǔ)性研究,國內(nèi)外均已有很多研究成果,一些綜述文章對此進(jìn)行了專門的討論[13-14]。必須指出的是,這方面的絕大多數(shù)研究的目的并不是針對河流對大氣的影響,恰恰相反,大氣因素往往只作為邊界條件,用以研究河流區(qū)域內(nèi)水溫變化對水中生物、植被、農(nóng)作物、污染擴(kuò)散等的影響。因此河流表面發(fā)生的熱與水分傳遞對大氣的影響并沒有得到充分的體現(xiàn)。成田健一等[15]利用閃爍儀測量光在大氣中傳輸時(shí)受湍動影響發(fā)生的強(qiáng)度波動來換算出河流表面的感熱通量。研究發(fā)現(xiàn)由于水體自身的蓄熱能力強(qiáng),河流表面的熱收支特點(diǎn)與其他下墊面(如綠地等)的熱收支特點(diǎn)有很大區(qū)別。這種方法最大的問題是在水蒸氣含量較大的情況下測量會出現(xiàn)很大誤差[16],毫無疑問,這會對實(shí)測精度產(chǎn)生不利影響。

b.城市河流的熱氣候影響。這方面的研究一般采用定點(diǎn)觀測的方法,即在河流內(nèi)部或周邊區(qū)域選定合適的測點(diǎn),并固定實(shí)測儀器進(jìn)行測量。如楊凱等[17]對上海地區(qū)包括河流在內(nèi)的水體周邊溫度、濕度進(jìn)行了定點(diǎn)觀測,初步驗(yàn)證了河流對熱氣候的冷卻效果,但缺乏深入的機(jī)理分析;日本的相關(guān)研究多一些,如武若等[18]利用探空氣球觀測了城市河道上空的溫度、濕度垂直分布,進(jìn)而得到:當(dāng)風(fēng)呈正交方向通過河流進(jìn)入周圍街區(qū)時(shí),其冷卻效果所達(dá)距離為150m左右;深川健太等[19]利用長期多點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)對包括自由水面在內(nèi)的城市下墊面對應(yīng)的風(fēng)速和溫度、濕度進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在氣溫較高的春夏季,河面作為白天城市冷源的重要性。另外,近年來出現(xiàn)了采用汽車進(jìn)行移動測量的方法,即利用車載測試工具沿事先設(shè)計(jì)的路線布置大量測點(diǎn),進(jìn)行沿程大氣參數(shù)測試,然后利用該路線上同時(shí)進(jìn)行的定點(diǎn)測量結(jié)果進(jìn)行時(shí)間校正。只需配備適量的交通工具,利用較少的測量器材就可以較完整地反映出特定時(shí)間段內(nèi)各物理量的空間分布關(guān)系。相關(guān)研究包括村川三郎等[20]利用該方法研究了夏季某典型日不同寬度的河道內(nèi)部及周邊區(qū)域在不同時(shí)刻的溫度分布特征;橋本剛等[21]利用該方法實(shí)測分析了海風(fēng)沿運(yùn)河深入城市內(nèi)部的過程,發(fā)現(xiàn)夏季涼爽的海風(fēng)可沿運(yùn)河深入到城市內(nèi)部8～10km。利用該方法既可以在預(yù)定的地點(diǎn)停車進(jìn)行定點(diǎn)測量,也可以在勻速行駛過程中直接測量。

c.城市河流附近人體熱舒適性。城市河流由于其空間開放性和特有的景觀特點(diǎn)使人產(chǎn)生心理上的愉悅,從人體熱平衡方程(式(11))可以看出,由于河流對城市氣候的調(diào)節(jié)作用,會間接影響到人體的熱舒適感。

式中:M為人體代謝率;W為人體對外做功量;C為人體與大氣之間的顯熱交換通量;R為人體與大氣之間的輻射交換通量;Eva為人體與大氣的潛熱交換通量(呼吸、汗液蒸發(fā)等);S為人體蓄熱率。各變量單位均為W/m2。

到目前為止,國內(nèi)外有關(guān)人體室外舒適性的研究工作開展得較少,用于討論城市河流對人體熱舒適性影響的就更少。木內(nèi)豪等[22]利用腦電波和心電圖測試人體在河流附近的生理反應(yīng)。該研究需要較專業(yè)的儀器設(shè)備和操作技能。另外,很多常用的熱舒適性指標(biāo)如PMV等只針對溫度、濕度大體處于穩(wěn)態(tài)的人工室內(nèi)環(huán)境,對于時(shí)間上非穩(wěn)態(tài)特征明顯、空間上太陽輻射等影響作用強(qiáng)烈的室外環(huán)境并不適用。神田學(xué)等[23]利用人體熱平衡方程提出一個“假想熱負(fù)荷”的熱舒適性指標(biāo)用以評價(jià)河流對人體舒適性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在河流周邊區(qū)域,由客觀的大氣參數(shù)計(jì)算得到的熱舒適性指標(biāo)值與人體的熱感覺值相差很大。近年來以人體生理反應(yīng)模型為基礎(chǔ),通過分析人體自身蓄熱以及與周圍空氣間的傳熱過程導(dǎo)出的SET*指標(biāo)[24]逐漸得到關(guān)注,被認(rèn)為是進(jìn)行室外動態(tài)熱舒適性評價(jià)的有效指標(biāo)[25]。

2.2 模型試驗(yàn)研究

所謂模型試驗(yàn)研究,是將實(shí)際的城市河流及周邊區(qū)域按特定比例縮小為模型,將模型設(shè)置在風(fēng)洞或室外進(jìn)行測量研究。山本誠司等[26]、成田健一[27]利用風(fēng)洞試驗(yàn)重點(diǎn)討論了城市河流兩岸岸堤、周圍建筑物的密度和布局等情況下河流熱氣候微冷卻效果。研究得出當(dāng)岸堤高度達(dá)到周圍建筑物平均高度的1/3以上時(shí),河流表面的冷空氣就將被遮擋而無法充分進(jìn)入周圍街區(qū)?？偟目磥砝媚Ｐ驮囼?yàn)進(jìn)行相關(guān)研究較少,主要原因在于模型試驗(yàn)中很難將河流表面溫度和散濕量與實(shí)際情況對應(yīng);另外,如何使試驗(yàn)滿足相似準(zhǔn)則也非常困難。實(shí)際上,上述試驗(yàn)都回避了水面的熱擴(kuò)散,而只討論濕氣傳輸,這必然造成與實(shí)際情況的偏差。

2.3 數(shù)值模擬研究

所謂數(shù)值模擬研究,是指在一些基本假定的基礎(chǔ)上對城市河流和周邊城市的大氣空間建立數(shù)學(xué)物理模型,通過計(jì)算求解獲得河流對熱氣候影響的相關(guān)信息。張洪濤等[28]利用中尺度三維準(zhǔn)靜力模型對長江三峽庫區(qū)建成前后的溫度、濕度場進(jìn)行了對比研究;顏金鳳等[29]、黃榮輝等[30]利用數(shù)學(xué)模型討論了湖泊以及三峽某河段內(nèi)河面對大氣的顯熱和潛熱輸送。這些研究主要針對較大尺度的靜止水體,與城市河流的情況不盡相同。近年來出現(xiàn)利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)研究河流問題的趨勢。這些研究主要討論包括河流在內(nèi)的具有自由水面的流體自身流動問題[31]或水質(zhì)問題[32],很少涉及河流與熱氣候的關(guān)系。由于河流可看作是邊界條件復(fù)雜的具有自由水面的三維流動,與其他流體現(xiàn)象相比有其獨(dú)特之處,Ma等[33]、Rüther等[34]分別討論了在進(jìn)行CFD模擬時(shí)遇到的自由水面與空氣側(cè)的邊界設(shè)定問題以及任意彎曲邊界形狀問題。

3 結(jié) 語

由于城市和河流自身的復(fù)雜性、跨學(xué)科性以及技術(shù)手段的局限性,到目前為止研究成果不多,且缺乏系統(tǒng)的整理和歸納。城市規(guī)劃專業(yè)已經(jīng)意識到城市河流可能對熱氣候產(chǎn)生積極作用,但由于沒有定量的理論分析基礎(chǔ),在具體規(guī)劃實(shí)施中無法充分體現(xiàn)其價(jià)值[35-36],而水力學(xué)、河流動力學(xué)專業(yè)主要關(guān)心河流自身流動機(jī)理。從研究內(nèi)容上看,現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果最具可信性,國外開展的研究較多,但需要指出的是這些現(xiàn)場實(shí)測均是在特定的地理?xiàng)l件下進(jìn)行的,以這方面工作開展較好的日本為例,其河流一般水面狹窄且流速湍急,如文獻(xiàn)[14]中提到的日本一級河流其水面寬度把兩側(cè)的階地算上也只有200m左右,岸堤和周圍建筑分布情況也與中國有很大區(qū)別,這使得其結(jié)論的普適性受到限制。模型試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是可以隨意改變河流流動、周邊環(huán)境布局,以及溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等外部條件,便于進(jìn)行感度測試分析,但由于實(shí)際情況與模型之間相差很大,無因次相似準(zhǔn)則很難成立;另外,在風(fēng)洞中進(jìn)行的模型試驗(yàn),由于室外湍動狀態(tài)下的風(fēng)速風(fēng)向與風(fēng)洞中固定的風(fēng)速風(fēng)向有本質(zhì)區(qū)別,模型試驗(yàn)結(jié)果能否準(zhǔn)確反映實(shí)際情況尚存疑問。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大,數(shù)值模擬正有望成為該方向研究的重要手段。但現(xiàn)有研究大多利用的中尺度氣象模式由于空間精度的限制,無法對城市河流及其流域范圍內(nèi)的建筑或街道周圍的空氣流動和能量交換問題進(jìn)行細(xì)節(jié)性研究。

到目前為止我國關(guān)于水體氣候效應(yīng)的研究很少,其中又以中尺度的大型水庫或湖泊研究為主。近年來城市河道的建設(shè)力度越來越大,已從單純的水利治水?dāng)U展到景觀綠化、防污治污的綜合治理。但由于長期以來對城市河流開發(fā)利用理念上的偏差以及我國城市化進(jìn)程的相對滯后,使河流對城市熱氣候影響的研究基本停留在定性分析階段,還沒有系統(tǒng)深入地開展這方面的研究工作。通過水利、規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境等多學(xué)科的交叉,加大力度研究城市河流對城市熱氣候的影響,對于更好地發(fā)揮我國城市河流的生態(tài)功能潛力、合理開發(fā)利用城市河流資源、維持城市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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